Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий

Кафедра электротехники и электроники

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМС ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОННОЙ

БАЗЫ ДАННЫХ

Методические указания к выполнениюрасчетно-графической работы

для студентов всех специальностей

3

Санкт-Петербург 2003

4

УДК 621.3

.....Батяев А.А., Дорошков А.В., Новотельнова А.В. Расчет электрон-ных схем с использованием электронной базы данных: Метод. указания к выполнению расчетно-графической работы для студентов всех спец. / Под ред. Л.П. Булата. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2003. – 22 с.

Приводится описание расчетно-графической работы, выполняемой при изучении курса «Электротехника и основы электроники»..

РецензентКанд. техн. наук, доц. Ю.А. Рахманов

Одобрены к изданию советом факультета техники пищевых производств

Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий, 2003

5

ВВЕДЕНИЕ

Умение анализировать и рассчитывать электронные устройства является важнейшим компонентом процесса обучения курсу «Электротехника и электроника».

В настоящей расчетно-графической работе (РГР) студентам предлагается решить две задачи.

Первая задача посвящена расчету электронного выпрямительного устройства на полупроводниковых диодах.

Вторая – расчету усилительного каскада с общим эмиттером на биполярном транзисторе.

Процесс выполнения РГР включает выбор необходимых компонентов электронной схемы (диодов, транзисторов). В качестве справочного материала используется электронная база данных, установленная на компьютерах вычислительной лаборатории кафедры электротехники и электроники.

ЗАДАЧА 1. РАСЧЕТ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА

Постановка задачи

В задаче требуется произвести расчет и выбор основных элементов схемы полупроводникового выпрямителя. Во всех вариантах заданий частота сети переменного тока принимается равной fc = 50Гц. Величина эквивалентного сопротивления нагрузки определяется в ходе расчета

Основными элементами расчета являются расчет параметров и подбор выпрямительных диодов или

блоков (выпрямительных комплектов); определение параметров и подбор элементов фильтра; нахождение параметров силового трансформатора –

коэффициента трансформации k12 и его габаритной мощности Pтр; вычисление коэффициента полезного действия выпрямителя

Студенты, выполняющие нечетные варианты, должны

рассчитывать схему однофазного выпрямителя с однозвенным Г-образным LC-фильтром (рис. 1, 2), а выполняющие четные варианты – трехфазный выпрямитель с нулевым выводом и емкостным С-

6

фильтром (рис. 3). Тип диодной схемы (однополупериодная или двухполупериодная схема) задается преподавателем.

2

IT1

U

L

R н1

50 Гц

VD1

+

н

н UU C

Рис. 1. Схема однофазного однополупериодного выпрямителяс однозвенным Г-образным LC-фильтром

I1 U

Rн

C

н2

VD4

L

VD2

+ н U

U

T1

VD3

VD1

Рис. 2. Схема однофазного мостового выпрямителя с однозвенным Г-образным LC-фильтром

U

R

c

U

-н

+

b

a

н

U UC

B

A

+

C

T1 U

U

U

Iн

VD1

VD2

VD3

7

Рис. 3. Схема трехфазного однополупериодного выпрямителяс емкостным фильтром

Исходные данные для расчета приведены в табл. 1.

Таблица 1

Номервари-анта

Напряжение сети U1

В

Выпрямленное напряжение

Uн.ср, B

Мощностьна нагрузке

РнВт

Допустимый коэффициент

пульсации напряжения

на нагрузке q2

1 127 12 100 0,062 220 24 400 0,013 220 36 350 0,024 380 110 500 0,045 127 24 150 0,046 380 48 450 0,0127 220 36 250 0,0158 220 12 300 0,0359 127 24 150 0,03510 220 110 440 0,0111 220 48 210 0,0312 380 36 720 0,00813 127 24 240 0,114 380 12 480 0,0515 220 110 230 0,1216 220 48 560 0,0217 127 36 120 0,0118 220 24 360 0,01519 127 12 240 0,02520 220 48 520 0,0321 220 36 280 0,0322 380 24 360 0,00923 127 12 180 0,124 380 110 660 0,00825 220 36 300 0,0626 380 12 720 0,2227 127 36 210 0,0528 220 48 200 0,0729 127 24 290 0,0430 380 110 250 0,14

8

Напряжение сети U1 во втором столбце табл. 1 при расчете трех-фазных выпрямителей следует считать линейным.

Основные теоретические сведения по принципу действия и особенностям расчета выпрямителей можно получить из учебно-методи-ческой литературы [1–4]

Поиск типов основных компонентов выпрямителей (полупроводниковых диодов и конденсаторов) необходимо производить после выполнения предварительных расчетов с помощью электронной базы данных, установленной в вычислительной лаборатории кафедры электротехники и электроники. Пояснения по работе с электронной базой данных приведены в Приложении.

Порядок расчета

1. В соответствии с вариантом вычертить схему выпрямителя с фильтром и нарисовать временные диаграммы, поясняющие его работу

2. Рассчитать ток нагрузки

Iн.ср =

и эквивалентное сопротивление нагрузки

Rн= .

3. В зависимости от типа выпрямителя, используя при расчетах соотношения справочного характера, приведенные в табл. 2, определить:

– среднее значение тока через диод Iпр.ср;– напряжение U2 на вторичной обмотке трансформатора при

чисто активной нагрузке выпрямителя;– требуемое напряжение на вторичной обмотке

трансформатора с учетом фильтра

= gU2,

где g – эмпирический коэффициент, равный 0,75 для емкостного фильтра и 1,0 для индуктивного фильтра;

9

– максимальное обратное напряжение на диоде Uобр mах.

10

Таблица 2

Тип схемывыпрямителя

Параметры

Частотапульсаций

fпГц

Коэффи-циент

пульсацийq1

Мощность трансфор-

матораPтр

Однофазная, однополупе-риодный

045 1,0 50 157 35Рн

Однофазная, двухполупе-риодныймостовой

09 0,5 100 066 123 Рн

Трехфазная с нулевым выводом

117 0,33 150 025 135 Рн

4. По результатам вычислений по п. 3 в компьютерной базе данных выбрать диоды (или диодные блоки) и записать их тип и основные параметры. Считается, что диоды подходят, если их максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max и максимально допустимый прямой ток Iпр.max не менее чем на 30 % превышают соответствующее расчетное значение.

5. Определить габаритную мощность трансформатора Pтр из соотношений табл. 2 в зависимости от выбранной схемы.

6. Рассчитать коэффициент трансформации трансформатора k12

по напряжению

k12 = .

7 Рассчитать элементы сглаживающего фильтра 7.1. Для четных вариантов необходимо определить только

величину емкости С-фильтра

C = , мкФ

7.2. Для нечетных вариантов необходимо определить и величину емкости, и величину индуктивности LC-фильтра.

11

При расчете элементов сглаживающего LC-фильтра исходят из необходимости получения требуемого коэффициента сглаживания s

s = ,

где q1 и q2 – коэффициенты пульсаций до и после фильтра (на нагрузке)

Тогда для однофазных выпрямителей пользуются соотношением

LC = .

Величину емкости фильтра рекомендуется выбирать из условия С 2000 мкФ

8 Произвести расчет кпд выпрямителя

где Ртр – потери в трансформаторе Ртр = Pтр (1 – тр); Рд – потери мощности в диодах, Рд = Iпр.ср Uпр.ср N; N – общее число диодов в схеме

Значение коэффициента полезного действия трансформатора тр

при номинальной нагрузке принять равным 0,9.Значение Uпр.ср принять равным величине максимально

допустимого прямого напряжения Uпр.max для выбранного при расчете диода.

9. Внести в табл. 3 основные параметры рассчитанного выпря-мительного устройства.

12

Таблица 3

№ пп.

Тип схемы и наименование параметра ЗначениеЕдиница

измерения

Тип выпрямителя (название)1 Число фаз

2 Число диодов, входящих в состав выпрямителя

3 Параметры нагрузочного устройства3.1 Напряжение сети U1

3.2 Выпрямленное напряжение Uн.ср

3.3 Мощность на нагрузке Рн

3.4 Допустимый коэффициент пульсации напряжения на нагрузке q2

4 Параметры диодов4.1 Тип диода

4.2 Iпр.ср.

4.3 Uобр.max

4.4 Uпр.max

5 Параметры трансформатора5.1 Расчетная мощность трансформатора Pтр

5.2 Коэффициент трансформации трансформатора k12

6 Параметры сглаживающего фильтра6.1 Тип фильтра

6.2 Индуктивность фильтра L

6.3 Емкость фильтра С

7 Коэффициент полезного действия выпрямительного устройства

Содержание отчета

1. Исходные данные.2. Результаты расчетов.3. Схема выпрямительного устройства.4. Сводная таблица основных параметров рассчитанного

выпря-мительного устройства.

13

ЗАДАЧА 2. РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДАС ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Постановка задачи

Рассчитать схему усилительного каскада с общим эмиттером по следующим исходным данным: коэффициент усиления по напряжению KU, напряжение на нагрузке Uн, сопротивление нагрузки Rн, нижняя fн и верхняя fв – граничные частоты. Схема усилительного каскада с общим эмиттером приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема усилительного каскада с общим эмиттером

В схеме приняты следующие обозначения: Uвх – напряжение, подаваемое на вход усилителя, Uвых – выходное напряжение (напряжение на нагрузке), Еп – напряжение источника относительно общего провода.

Значения исходных данных по вариантам приведены в табл. 1.

14

Таблица 1

Номерварианта

KU Uн,В

Rн,Ом

fн,Гц

fв,МГц

1 10 5 1000 50 12 15 8 700 50 23 16 7 500 50 14 10 4 600 50 25 25 6 800 50 1,56 28 9 700 50 1,57 10 7 1000 100 0,58 18 5 700 100 19 11 9 500 100 2

10 17 4 600 100 0.511 14 3 1000 100 112 15 5 500 100 113 21 7 600 100 214 15 9 700 100 215 10 3 100 50 216 18 5 500 50 217 14 9 700 50 118 17 5 900 50 119 20 3 500 50 220 22 5 1000 50 121 10 9 800 100 222 16 4 100 100 223 17 9 700 100 124 21 4 500 100 125 18 5 1000 100 0,526 10 9 900 100 227 15 7 300 100 128 20 5 600 100 129 14 9 600 50 130 10 3 700 50 2

Методика расчета

1. Исходя из условий получения максимального коэффициента полезного действия усилительного каскада , принимаем величину

15

сопротивления в цепи коллектора RК равной сопротивлению нагрузки

RК = Rн.

2. Находим амплитудное значение коллекторного напряжения

3. Рассчитываем ток покоя коллектора

4. Определяем величину минимального напряжения на источнике питания

Eп min = (3,1….3,8) UК max.

Выбираем ближайшее значение Eп из ряда стандартных величин (4,5; 5,0; 9,0; 12,0; 15,0; 24,0; 27,0; 36,0; 48,0) так, чтобы выполнялось условие

Eп Eп min.

5. Вычисляем значение максимального тока коллектора

= .

6. Находим мощность на нагрузке

.

7. Производим оценку мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора

.8. Пользуясь электронным справочником, выбираем тип

биполярного транзистора. В качестве критерия выбора используем следующие соотношения:

PКmax

16

(1,1…1,2) Eп,IКmax IКmax,h21Э min КU,

1,3fВ.

Здесь PКmax – максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе транзистора; UKЭRmax – максимально допустимое постоянное напряжение коллектор – эмиттер; IКmax – максимально допустимый постоянный ток коллектора; h21Эmin – минимальное значение статического коэффициента передачи биполярного транзистора в режиме малого сигнала в схеме с общим эмиттером; fгр – граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общей базой.

9. Рассчитываем сопротивление резистора в цепи эмиттера

RЭ = .

10. Определяем значение тока покоя базы транзистора

.

11. Рассчитываем сопротивления резистивного делителя, для чего выбираем ток делителя Iд, протекающий по сопротивлениям RБ1 и RБ2.

Iд = (5…7) IБп.

Находим напряжение покоя базы

UБп = UЭп + UЭ,

где UЭ – падение напряжения на эмиттерном переходе UЭ = = 0,45…0,6 В; UЭп – падение напряжения в цепи эмиттера

UЭп = RЭ.Определяем величины сопротивлений

RБ2 = ;

17

RБ1 = – RБ2.

12. Рассчитываем коэффициент усиления каскада

КU = h21Эmin ,

где RKн – сопротивление каскада по переменному току

.

Если вычисленное значение коэффициента усиления окажется меньше заданного, следует подобрать транзистор с большим коэффициентом передачи по току h21Эmin. Можно также в небольших пределах увеличить величину сопротивления RК.

13. Находим значения емкостей разделительных конденсато-ров, мкФ

.

14. Вычисляем значение емкости шунтирующего конденсатора в цепи эмиттера, мкФ

.

15. Определяем мощность, потребляемую каскадом от источника питания

.16. Вычисляем коэффициент полезного действия каскада

17. Составляем сводную таблицу основных параметров рассчитанного усилительного каскада (табл. 2).

18

Таблица 2

Но-мера

Тип схемы и наименование параметра Значение Единицаизмерения

1 Тип схемы (название)2 Параметры нагрузки2.1. Напряжение на нагрузке Uн, 2.2. Сопротивление нагрузки Rн,3 Частота усиливаемого сигнала:

нижняя граничная частота fн

верхняя граничная частота fи

4 Коэффициент усиления по напряжению KU

5 Номиналы рассчитанных элементов5.1 Сопротивления резисторов делителя в цепи базы

RБ1

RБ2

5.2 Сопротивления резистора в цепи коллектора RК

5.3 Сопротивления резистора в цепи эмиттера RЭ

5.4 Емкость во входной цепи Cр1

5.5 Емкость в выходной цепи Ср2

5.6 Емкость в цепи эмиттера СЭ

6 Коэффициент полезного действия каскада

Содержание отчета

1. Исходные данные.2. Результаты расчетов.3. Схема усилительного каскада с общим эмиттером.4. Сводная таблица основных параметров рассчитанного

усили-тельного каскада. 5. Выводы о соответствии параметров рассчитанного

устройства исходным данным задания.

Приложение

ИНСТРУКЦИЯ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ЭЛЕКТРОННОЙ БАЗЫ ДАННЫХ

«СПРАВОЧНИК ПО ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ПРИБОРАМ»

19

1. Для запуска электронного справочника по полупроводниковым приборам необходимо:

1.1.Открыть на рабочем столе папку «Учебный процесс».1.2. Найти и открыть папку «Справочные данные».1.3. Открыть файл «Справочник по полупроводниковым

приборам».2. В открывшемся окне электронной базы данных из

предлагае-мого перечня выбрать вкладку в соответствии с необходимым типом элемента.

2.1. При решении задачи 1 нужно выбрать выпрямительный диод. Для этого следует открыть вкладку электронной базы «Диоды» и в открывшемся окне (рис. 1) мышью установить переключатель «Выпрямительные диоды, столбы, блоки». Вывод таблицы со справочными данными производится щелчком мыши по клавише «Вывод», расположенной в нижней части экрана. В открывшейся таблице-справочнике (рис. 2) провести выбор диода в соответствии с критериями, изложенными в методике расчета. Выписать параметры выбранного диода.

2.2. Для подбора биполярного транзистора (при решении зада-чи № 2) необходимо открыть вкладку электронного справочника «Биполярные транзисторы» (рис. 3).

В открывшемся окне (рис. 4), используя расчетные данные, задать параметры транзистора (установить переключатели):

– мощность транзистора: малую (менее 0,3 Вт), среднюю (0,3…1,5 Вт) или большую (свыше 1,5 Вт);

– в колонке граничная частота задать требуемый уровень граничной частоты транзистора: низкую (менее 3Мгц), среднюю (3…30 МГц), высокую (30…300 МГц) или сверхвысокую (свыше 300 МГц).

Выбрать тип транзистора (p-n-p или n-p-n). Для этого в колонке «Проводимость» отметить выбранный тип.

Задать разновидность транзистора – «Обычные».После задания всех параметров для вывода справочных

данных по транзисторам щелкнуть мышью на клавише «Вывод».В открывшейся таблице выбрать транзистор по заданным в

описании задачи критериям, выписать его тип и справочные данные. 3. Для облегчения поиска можно воспользоваться функцией

сортировки таблицы. Для этого выбрать закладку «Поиск». В

20

открывшемся окне в разделе «Сортировать таблицу по» выбрать параметр, по которому производится выбор элемента. Щелкнуть мышью на клавише «Применить». После произведенных операций электронная база осуществит сортировку элементов. В открывшейся таблице элементы будут располагаться в порядке возрастания выбранного параметра.

4. Закрытие электронного справочника производится нажатием на кнопку «Закрыть» в правом верхнем углу экрана.

Рис. 1. Окно диалога «Справочник по полупроводниковым приборам»при выборе диодов

21

Рис. 2. Таблица раздела «Выпрямительные диоды, столбы, сборки»«Справочника по полупроводниковым диодам»

Рис. 3. Окно диалога «Справочник по полупроводниковым приборам»при выборе биполярного транзистора

22

Рис. 4. Вид рабочего окна в электронном справочникепри открытии раздела «Биполярные транзисторы»

23

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Герасимов В.Г., Князьков О.М., Краснопольский А.Е., Сухоруков В.В. Основы промышленной электроники: Учеб. для неэлектротехн. спец. вузов / Под ред. В.Г. Герасимова. 3-е изд., – М.: Высш. шк., 1986. – 336 с.

2. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. Учеб. для вузов. – Минск: Вышэйш. шк., 1982. – 496 с.

3. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: Учеб. для вузов. 6-е изд., перераб. – М.: Высш. шк., 2000. – 542 с.

4. Методические указания для самостоятельного изучения дисциплины «Электротехника и электроника». Ч. 2. – СПб.: СПбГАХПТ, 1992. – 285 с.

24

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................................................................................... 3

ЗАДАЧА 1. РАСЧЕТ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА.................................................................................................................... 3

Постановка задачи....................................................................................................................................................................................... 3

Порядок расчета.......................................................................................................................................................................................... 6

Содержание отчета...................................................................................................................................................................................... 9

ЗАДАЧА 2. РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДАС ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ............................................................................................................................................................................... 10

Постановка задачи...................................................................................................................................................................................... 10

Методика расчета....................................................................................................................................................................................... 12

Содержание отчета..................................................................................................................................................................................... 15

Приложение................................................................................................................................................................................................ 16

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................................................................................................................... 20

25

26

Батяев Анатолий АлексеевичДорошков Александр ВалентиновичНовотельнова Анна Владимировна

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМС ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОННОЙ

БАЗЫ ДАННЫХ

Методические указания к выполнениюрасчетно-графической работы

для студентов всех специальностей

РедакторР.А. Сафарова

КорректорН.И. Михайлова

_________________________________________________________________________

Подписано в печать 27.12.2003. Формат 6084 1/16.Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,4. Печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,31

Тираж 500 экз. Заказ № C 111_____________________________________________________________________

___

СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9ИПЦ СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

27